镜头选择基础和视觉系统

1、图像传感器的典型应用

视觉系统过程大致可分为如下四步：

(1) 拍摄

按下快门，拍摄图像。

(2) 传送

将图像数据由照相机传送到控制器。

(3) 处理

前处理: 对于图像数据进行加工，使其特征更加明显。
测算处理: 根据图像数据对于损伤、尺寸等进行测算。

(4) 输出结果

将处理结果以信号的方式输出到相连的控制装置（ PLC 等）。

视觉系统流程图

大多数图像传感器制造商在产品目录中，对于第三步“处理”做了更多的说明。这表明这些厂家更重视控制器的处理能力。实际上，第一步“拍摄”才是得到正确、稳定的视觉系统效果所必需的最主要的步骤。而这一步的关键在于“镜头和照明的选择”在初级篇中，笔者将以“镜头的选择”为中心，介绍有关拍摄的知识。

2、拍摄对视觉系统造成的影响

Q:以杯体内侧异物及污点为拍摄对象时，以下2张图像中，哪一张可以在全范围内检测出微小的污点？

A:答案当然是右侧的图像。

   只有上半部分对焦的模糊图像                                        杯体从上到下均对焦的图像

           

无论所用的控制器性能多强，都无法检测出左图中的微小污点。
如果具备正确的知识，即便是杯体这种上下存在高度差的工件，也可拍摄出右图这种全范围对焦的优质图像。

要点

对于视觉系统，拍摄是最重要的环节。
要实施高精度的稳定检测，下面3点最为重要。

• 将目标物拍摄得较大
• 拍摄对焦的图像
• 拍摄明亮清晰的图像

3、镜头的基础知识及选择方法 

(1) 镜头的结构

照相机的镜头由多个镜片和光圈/调焦装置构成。

根据监视画面进行光圈调整和调焦，可以得到“明亮、清晰”的图像。
（有些镜头的调整装置是固定的）

选择镜头时，视野、焦距、焦点、失真等都是需要考虑的因素。下面将只介绍最常用的“根据视野选择镜头的方法”以及“如何得到对焦良好的画面” （增加景深的方法） 这 2 点。

(2) 镜头的焦距及视野的计算方法 

焦距是镜头的规格参数之一。
FA 镜头的焦距一般是 8 mm、16 mm、25 mm 或 50 mm。
根据拍摄时所需要的视野及焦距，可以计算出焦点对准的位置（WD，即工作距离）。

WD 与视野的大小由镜头的焦距及 CCD 尺寸决定。在不需要近摄环的最近距离以上时，可以根据下列公式进行计算。

WD ：视野角=焦距：CCD 尺寸

例如 ：镜头焦距 16mm、CCD 尺寸 3.6mm 时，为了得到 45mm 的视野，WD 应为 200mm

 (3) 增加景深 （对焦时的高度范围）、得到清晰画面的方法

• 镜头焦距越小，景深越大。
• 与拍摄对象距离越远，景深越大。
  →注意: 使用延伸环或微距镜头时，景深会变小。
• 光圈越小，景深越大。
  →对于同一只镜头而言，光圈越小，亮度越大，越容易聚焦。

小光圈(左)大光圈(右)的图像

   

下图所示为拍摄斜面上表示高度的胶带的情况。比较小光圈和大光圈时的拍摄效果。

(4) 不同镜头性能造成对比度的差别 

由于镜头的材料及构造的不同，造成图像质量也不相同。根据用途选择高分辨的镜头，可以得到高对比度的图像。

 

使用镜头：CA-LH16/CV-L16

检查目标物：复印纸

范 围：60mm

脏污大小: 约 0.3mm

 

(5) 24 万像素 CCD 与 200 万像素 CCD 的比较 

可以看到，使用 200 万像素照相机拍摄的图像更利于读取文字。这意味着成像质量可以直接影响视觉系统的精度。因此，应该根据使用目的，选择适宜的照相机。

 (6) 镜头的扭曲（失真）

什么是镜头的失真？

镜头的失真度是拍摄图像的中央部分与周围部分的变化比率。
由于存在像差，拍摄图像的周边部分会发生某种程度的扭曲现象。
失真可分为桶形失真和枕形失真两类。表示失真度的数值（绝对值）越小，则镜头的精度越高。
在测量尺寸时，应使用失真度小的镜头。一般说来，长焦距镜头的失真度会相对小一些。

  

桶形失真与枕形失真

4、总结

拍摄图像的质量是视觉系统的基础。在了解了选择镜头的基础知识后，可以拍摄出：

1. 视野适宜，
2. 图像整体聚焦良好，
3. 亮度、目标物和背景对比度俱佳的清晰图像。

文章来源：基恩士官网